CFD方法在流體機械設計中的應用研究

王琳

（大連科技學院機械工程學院，遼寧 大連 116052）

新時期，應工業制造產業升級改革的要求，越來越多的先進技術被應用于工業制造中，對工業制造生產效率、產品質量的提升等都起到了關鍵性的作用。CFD方法在現代化工業制造產業中的引入，幫助我們有效地解決了工業制造中復雜的數學模型計算問題，使人們可以對流體的流動狀態做出更加直觀、深入的理解，以此更好地為我們借鑒工業發展中的能量轉化問題，為工業化發展奠定堅實的科學基礎。目前，CFD已經成為工業現代化發展不可缺少的一項重要技術，被廣泛地應用于造船業、航空航天業、汽車制造業等多個領域中，對壓縮機、噴水泵等流體機械的設計與開發起到了很好的輔助作用。

1 CFD方法概述

1.1 內涵原理

CFD是計算流體動力學的英文簡稱，是流體力學體系的重要構成，作為近代流體力學領域重大研究成果存在，由計算機科學、數值數學構成，具有極強的學科交叉性。就其原理來看，CFD以計算機方法為手段，以不同類型的離散化數學方法為輔助，在計算機超強運算能力的作用下，圍繞流體力學各項問題開展全方位的分析、模擬計算、數值實驗等計算活動，最終得出流體控制方程的近似解。從發展的角度來說，CFD誕生興起于20世紀60年代，90年代后期受計算機技術迅猛發展態勢的影響，而得以實現了快速的發展。21世紀初期在計算機硬件工業的強大支持下，CFD實現了飛速發展，并基于其方法具備模擬復雜亦或是理想過程，且實驗分析成本較低等諸多優勢，而被廣泛應用于各種實驗場景中。

1.2 方法技術

CFD方法是以電子計算機為手段，在離散化數學方法的基礎上所建立起來的一門學科，綜合了計算機科學、數值數學、流體力學等學科之優勢于一體。因此，就其方法技術而言也在很大程度上帶有這些學科的影子。具體來講，CFD方法技術主要包括以下幾方面：

（1）有限體積法（FVM），該方法是當前發展最成熟的一種CFD算法。該方法的基本原理是，通過對計算區域進行控制體積的明確劃分，以體積為節點借助守恒型微分方程來進行積分后離散求解。該方法的優點在于守恒性、靈活性突出，能夠克服泰勒展開離散的缺點，適用于各種復雜工程問題的解決。

（2）有限差分法（FDM），該方法最早被應用于數值模擬運算當中，對CFD的早期發展起到了極關鍵的作用，因此，FDM也是所有CFD方法中應用最廣泛的一種方法。該方法的基本原理是，通過對空間、時間區域的網格劃分，將原有的連續求解域以有限的網格節點替代，將表示變量連續變化關系的偏微分方程離散為有限個代數方程，在逐個計算的基礎上，求出不同時間段下各網格節點溶質濃度。該方法的優點在于表達簡單、直觀，有助于我們理解。

（3）有限元法（FEM），該方法建立在加權余量法、變分原理的基礎上，被廣泛運用于泊松方程、拉普拉斯方程相關物理場景中。其原理是以單元為單位，對計算域進行離散剖分，并為每一單元選擇相應的基函數，以此逼近單元真解。該方法常被運用于結構力學、電磁力學、流體力學的計算工作，能夠對預判設計階段的實驗測試起到很好的替代作用，極大地節省了成本。

2 CFD方法在流體機械設計中的應用

2.1 在壓縮機設計中的應用

壓縮機主要由活塞組織與氣缸壁構成，作為一種代表性的流體機械存在，主要作用于能量氣體的壓縮、輸送，以此達到能量轉化、使用的目的。在高速運轉制冷的過程中，壓縮機內部氣體流動異常復雜，涉及氣體壓力損失、壓力脈動、速度分布等的精準運算。傳統的運算方法不僅存在諸多計算漏洞，更難以直觀而精準地反映壓縮機內部情況。CFD方法則可以結合壓縮機作業原理及性能，通過對效率、p-v圖等的比較，快速建立三維模型，以最直觀的方式精確反映出壓縮機內部的熱力學過程以及氣體流動狀況。以此促使設計人員能夠結合壓縮機內部流場情況，提出進一步的機械設計完善方向。

在應用CFD方法進行壓縮機設計時，要求設計人員必須提前對壓縮機內部活塞、缸壁進行設計，以運動壁面表示活塞、以圓柱體表示缸壁。并將曲柄角度設定在180°，以便于活塞在自上而下物理運動的過程中，逐步對缸體內氣體進行施壓。其實施過程中的步驟包括建立物理模型、明確計算區域、產生網格、選擇求解方法、設置模型參數、計算求解，最后，以結果形式得出相應的圖表、數據。以活塞壓縮機的設計為例，在應用CFD方法進行設計時，涉及到的質量守恒方程為：。其中t為時間，ρ為密度，速度矢量在x、y、z 方向上的分量分別以u、v、w表示。

2.2 在噴水泵設計中的應用

CFD方法的出現大大提高了流體機械內部流場計算的精準性，使設計人員能夠突破各方面固有限制，以一種更直觀的方式去探究流體機械內部運行原理、狀態，大大提高了機械設計數據的精準性、客觀性。利用CFD方法進行噴水泵設計，對于直觀反映水泵內部流場、掌握水泵葉片流動規律等都極具重要意義。在應用PDF方法進行噴水泵的設計時，先后涉及建模、確定方程、模型計算幾個關鍵性的步驟。

建模：結合客戶要求，明確噴水泵揚程、空化余量、功率，以及包括葉片、葉輪外徑等主要結構的參數實際值。并生成計算機網格，進行三維流場計算。

確定控制方程：在假設噴水泵轉輪以正常轉速運轉的情況下，對連續性方程以及動量方程進行設定，分別為、。其中，以ρ表示流體密度；μe表示有效黏性系數；x、y、z的實際坐標以xj(j= 1,2,3)來表示；p＊表示靜壓；絕對速度分量u、v、w則以ui、uj來表示。

模型計算：在FLUENT軟件中三維單精度求解器的作用下，依據所制定標準、模型來對函數進行分析、求解，并在軟件3D技術的輔助作用下，構建出能夠清晰描述噴水泵實際運行狀態的模擬圖。

3 CFD方法未來發展趨勢

經過多年的發展，我國CFD方法理論研究體系不斷完善，并且經過不斷的推廣、實踐，已經被廣泛運用于航空航天、船舶制造、氣象監測、武器裝備、建筑工程、水利設計、汽車制造、環境衛生、等工程領域當中，取得了十分傲人的成績。2019年9月，在重慶成功召開了汽車空氣動力學分會學術年會，以“CFD新技術應用及發展趨勢展望”為主題，邀請國內外科研機構、企業、高校等行業專業人士對CFD未來發展趨勢進行了積極的展望。其探討內容包括CFD在新能源汽車熱管理開發、機器深度學習、工具使用、簡易化界面設計，以及與風洞試驗的融合運用等CFD相關熱點話題。由此可見，CFD方法在未來的發展中，會逐步朝著便捷化、多功能化的方向發展，以此適用于工業生產日益網絡化、智能化的發展趨勢，為精準化、全面化仿真實驗奠定堅實的基礎。此外，為有效解決CFD方法在多領域的普遍性適用問題，我們還必須在加大對CFD研究的基礎上，早日研發出更加貼合我國產業發展需要的國產CFD軟件。

4 結語

綜上所述，CFD方法作為目前一種先進、有效的流體力學分析方法，其實際效用已經得到了社會各界專業人士的高度認可，并憑借該方法在計算機計算、數學邏輯分析等方面的顯著優勢，被廣泛地應用在社會各領域中，對流體機械設計的優化、功能的完善等都起到了極為顯著的促進作用。在未來的工作中，我們要在以往工作成效的基礎上，繼續砥礪前行，加大對CFD方法的研究力度，深度挖掘該方法在流體機械設計方面的潛在功效，使其能夠更好地為流體機械設計服務，以此促進我國工業化發展水平、發展程度的加深。